一、什么是HOOPS 3D Graphics System？

（HOOPS/3DGS）是一款高性能的三維圖形工具包，專為Windows、UNIX操作系統以及互聯網應用程序的開發人員設計。它通過高度優化的數據結構與算法，極大簡化了二維與三維、交互式、矢量與光柵圖形在CAD/CAM/CAE、科學可視化和地理信息系統（GIS）等應用中的開發流程。

HOOPS/3DGS提供了以下關鍵功能和組件：

• 一套子程序庫，用于創建、管理、查詢和編輯圖形信息，并與應用程序代碼鏈接，可選擇靜態或動態鏈接方式；
• 豐富的演示示例和集成代碼，幫助開發者快速學習并集成HOOPS/3DGS；
• 應用程序開發者可以將自身業務邏輯與HOOPS/3DGS圖形接口及用戶界面集成，實現交互式圖形應用的開發。

二、系統架構簡介

是基于數據庫架構的保留模式圖形系統。它通過封裝圖形信息并與接口層結合，實現圖形數據的創建、編輯、操作與查詢。其架構充分體現了面向對象設計的核心原則，如數據封裝、消息傳遞、實例化與屬性繼承等。

雖然HOOPS/3DGS并非以傳統類庫形式實現，但其設計理念與面向對象的開發思想高度一致。HOOPS/3DGS庫可直接集成到應用程序構建流程中，通過其API管理幾何對象，參與程序整體運行。

HOOPS/3DGS圖形系統由兩個主要部分組成：

• 圖形對象數據庫（線段樹）
• 渲染管線（結構化設備接口，HDI）

HOOPS/3DGS 線段樹和渲染管道

三、保留模式圖形系統的優勢

與即時模式圖形系統（直接渲染圖元）不同，HOOPS/3DGS屬于保留模式系統，將圖形信息存儲在專門的數據結構中。這種架構帶來了以下顯著優勢：

• 性能優化：系統保留了所有圖形基元的副本，可實現更高效的修改、遍歷與渲染。例如，通過邊界體積檢測可快速判斷哪些圖元不在視圖范圍內，避免無用渲染；
• 精準拾取：支持光標選擇操作（拾?。ㄟ^顯示列表無需重新發送圖元即可判斷用戶點擊位置；
• 窗口系統支持：即使窗口被遮擋后重繪，也能直接從顯示列表恢復圖像，而無需重新計算；
• 高級渲染支持：如光線追蹤或輻射度等全局渲染算法需完整圖形數據副本，保留模式為此提供基礎。

四、圖形數據庫結構

使用“段（segment）”來組織圖形數據。段是幾何對象和其屬性的容器，段之間通過父子關系形成樹狀結構，支持屬性繼承。一個父段可以擁有多個子段，每個子段只能有一個父段。

段可以被多次引用或包含于多個位置，稱為“包含”。某些段還可作為“樣式段”統一應用于其他段。

這種樹狀結構本質上是一個有向無環圖（DAG），通過對幾何體屬性進行聚類，提高渲染效率，最大限度減少顯示上下文切換，提升吞吐能力。

五、坐標系統

HOOPS/3DGS使用笛卡爾坐標系表示空間中的點，所有坐標均為三維（x, y, z）。若z值為0，表示二維圖元，此時系統會自動使用優化的二維渲染方式。

系統默認使用單精度浮點數（32位）表示坐標值，也支持通過專用模塊使用雙精度浮點數（64位）進行高精度幾何計算。

六、數據引用與插入

在保留模式下，插入圖形數據通常意味著復制數據。但為避免大型數據（如網格、殼體、圖像）重復占用內存，HOOPS/3DGS支持通過引用方式插入幾何體。此方式僅傳遞數據地址，而非復制內容，提升了性能與資源利用率。

七、編程語言支持

HOOPS/3DGS支持C、C++、C#和Java調用，滿足不同語言環境下的開發需求。

八、數據庫遍歷與顯示更新

HOOPS/3DGS通過“數據庫遍歷”將圖形數據從段結構中提取出來，傳輸至渲染管線。調用Update_Display即可啟動遍歷流程，系統會自動遍歷需要繪制的段及其子段，并發送對應圖形信息進行渲染。

系統還支持多種更新機制以優化性能：

• 選擇性遍歷：僅更新發生變化的部分，或直接從緩存中重繪受損區域；
• 增量更新：支持逐步添加新圖形，而非全局重繪；
• 限時更新：可設置最大更新時間段，控制性能；
• 驅動器選擇更新：可以僅更新某一輸出設備，如僅更新打印驅動器而非屏幕；
• 異步更新：更新可在后臺線程執行，提升用戶體驗。

HOOPS/3DGS的渲染核心是結構化設備接口（HDI），它接收數據庫中的圖形信息，根據目標設備（如OpenGL、GDI、Xlib等）進行轉換與優化。

HDI按層處理信息，確保圖形渲染在各種硬件和系統平臺上一致且高效。例如，在2D硬件上通過軟件渲染實現3D效果，在某些場景下其速度甚至超過硬件。

HOOPS/3DGS結構化設備接口（HDI）架構

十、控制流程概述

典型的HOOPS應用程序流程如下：

• 用戶在界面中發出操作請求；
• 應用程序更新HOOPS/3DGS中的數據；
• 系統遍歷線段樹，將數據發送至渲染管線；
• 渲染輸出至設備（顯示器、打印機等）；
• 用戶查看結果后，進行下一步操作。

這個流程循環往復，實現高效的人機交互。

十一、面向對象設計理念

雖然HOOPS/3DGS并非傳統的類庫，但其設計充分體現了面向對象思想，包括：

• 接口封裝與數據隱藏；
• 屬性繼承與實例化復用；
• 結構靈活，便于擴展和演化。

的架構早于C++標準化，但至今仍能不斷演進和集成新API，正是因為其堅實的面向對象設計基礎。

               

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